第15讲 金属的冶炼 金属材料与非金属材料（教师版）.docx

第15讲金属的冶炼金属材料与非金属材料

学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子

复习目标

1．依据氧化还原反应理解金属冶炼的原理与冶炼方法的选择。

2．知道合金的概念、合金的特性，了解常用合金的性能和用途。

3．知道陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途。

4．理解晶体硅的制造，了解二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途。

复习重点难点

1．金属的冶炼原理及方法选择。

2．新型无机材料的应用。

教学过程

金属矿物的开发利用

金属冶炼的原理

利用氧化还原反应原理，在一定条件下，使金属离子得到电子被还原成金属原子，从而获得金属单质。即：Mn＋＋ne－＝M。

金属的

冶炼方法

金属冶炼方法的选择与金属活泼性的关系

金属活泼性顺序

K、Ca、Na、Mg、Al

Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu

Hg、Ag

Pt、Au

金属原子失电子能力

强弱

金属离子得电子能力

弱强

主要冶炼方法

电解法

热还原法

热分解法

富集法

还原剂或针对措施

直流电强制提供电子

H2、CO、C、Al等还原剂

加热(高温)

加热

物理富集

或化学方法

其他方法：湿法炼铜：Fe＋CuSO4＝FeSO4＋Cu火法炼铜：Cu2S＋O2eq\o(====,\s\up7(高温))2Cu＋SO2

硅酸盐工业

主要原料

主要设备

主要反应

主要成分

特性

水泥

石灰石

黏土

水泥

回转窑

复杂的物理变化与化学反应

3CaO·SiO2

2CaO·SiO2

3CaO·Al2O3

水硬性

玻璃

石灰石、石英、纯碱

玻璃

熔炉

CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

CaSiO3、Na2SiO3、SiO2

无

固定熔点

陶瓷

黏土

陶瓷窑

——

Al2O3·2SiO2·2H2O

——

新型无机非金属材料

高温结构陶瓷

SiC、BN、Si3N4、Al2O3等

碳纳米材料

类型

富勒烯、碳纳米管、石墨烯等

用途

在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景

硅单质

存在

地壳中的含量位居第二位，只存在化合态的硅(主要以硅酸盐和氧化物的形式)，无游离态

物理性质

灰黑色、金属光泽、熔沸点高、硬度大、半导体

高纯硅制备

生产流程一：二氧化硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(电炉里用碳还原),\s\do4(————————→))),\s\do6())粗硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(Cl2),\s\do4(——→))),\s\do5(蒸馏))纯SiCl4eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(H2),\s\do4(——→))),\s\do5(高温))高纯硅。

粗硅：SiO2＋2CSi(粗硅)＋2CO↑

高纯硅：Si＋2Cl2SiCl4SiCl4＋2H2Si＋4HCl

生产流程二：二氧化硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(电炉里用碳还原),\s\do4(———————→))),\s\do6())粗硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(HCl),\s\do4(———→))),\s\do5(300℃))纯SiCl4eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(H2),\s\do4(————→))),\s\do5(1100℃))高纯硅。

粗硅：SiO2＋2CSi(粗硅)＋2CO↑

高纯硅：Si＋3HCleq\o(======,\s\up6(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=======,\s\up6(1100℃))Si＋3HCl

用途

半导体材料，用于集成电路、晶体管的制造；制太阳能电池的材料

二氧化硅

存在

普通的沙(细小的石英晶体)、水晶(纯石英，无色透明晶体)

物理性质

无色透明晶体，高熔点，高硬度，不溶于水

化学性质

酸性氧化物

水

不反应

碱性氧化物

CaO＋SiO2CaSiO3

碱

2NaOH＋SiO2＝Na2SiO3＋H2O（实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞）

某些盐

CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

弱氧化性

SiO2＋2CSi＋2CO↑SiO2＋3CSiC＋2CO↑

特殊性

SiO2＋4HF＝SiF4↑＋2H2O（氢氟酸不能保存于玻璃瓶中，常保存于塑料瓶中）

用途

①制造光导纤维；②制光学镜片；③制石英坩埚；④制石英玻璃

金属的冶炼

金属活泼性顺序

K、Ca、Na、Mg、Al

Zn、Fe、Sn、Pb(H)、Cu

Hg、Ag

Pt、Au

主要冶炼方法

电解法

热还原法

热分解法

富集法

还原剂或针对措施

直流电强制提供电子

H2、CO